авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Научные основы создания отказоустойчивых интегрированных вычислительных комплексов систем управления летательными аппаратами

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Воробьев Александр Владимирович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫХ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ

Специальность: 05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2010

Работа выполнена в Московском государственном институте электроники и математики (технический университет)

Научный консультант доктор технических наук,

профессор Каперко Алексей Федорович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Домрачев Вилен Григорьевич

доктор технических наук

Макаров Николай Николаевич

доктор технических наук

Оболенский Юрий Геннадьевич

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«МАТИ» - Российский государственный

технологический университет

имени К.Э. Циолковского («МАТИ»).

Защита состоится « 16 » ноября 2010 г. в « 16 » часов на заседании диссертационного совета Д 212.103.03 при Московском государственном институте электроники и математики (технический университет) по адресу: 109028, г. Москва, Б. Трехсвятительский пер., д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института электроники и математики (технический университет)

Автореферат разослан « » ____________ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

к.т.н., доцент Ю.Л. Леохин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Разработка и создание интегрированных отказоустойчивых вычислительных комплексов систем управления летательными аппаратами (ИВК СУ ЛА) для получения заданных пилотажных характеристик представляет собой сложную научно-техническую проблему, связанную с необходимостью исследования нелинейных дифференциальных непрерывных и разностных уравнений высоких порядков, описывающих динамические процессы в летательном аппарате совместно с автоматической системой управления скоростями, координатами полета, а также углами и угловыми скоростями. В настоящее время аналитические методы решения уравнений высоких порядков еще не найдены, что затрудняет выбор параметров комплексных систем из условий устойчивости и показателей качества выходных характеристик при подаче на входы даже простых типовых сигналов.

Большие трудности в исследовании интегрированных вычислительных комплексов систем управления вносит необходимость реализации множества полетных режимов в широком диапазоне высот и скоростей полета, требующих выбора заданных траекторий без ухудшения маневренностных свойств летательного аппарата. Кроме того, требуется с помощью интегрированных вычислительных комплексов систем управления летательными аппаратами обеспечить переход с автоматических режимов на командные (ручные), ввода ряда ограничений на фазовые координаты, гарантирующие безопасность полетов при выполнении многих задач.





На сегодняшний день задача обеспечения безопасности полета ЛА автоматизирована по отдельным параметрам полета. При этом в каждый текущей момент времени ограничивается только один параметр движения из вектора параметров полета, связанных между собой через динамический объект управления. Кроме того, не учитывается прогноз изменения параметров движения ЛА в процессе полета по заданной траектории (учитывается только текущий темп изменения ограничиваемого параметра). Ограничения на отдельных этапах автоматизированных режимов управления введены как квазистатические, что при несогласованности заданной траектории полета с допустимым движением ЛА может вызывать размыкание контура управления по регулируемой координате. Существующие контуры безопасности управления работают независимо от основных режимов автоматизированного управления и при наличии ситуации выхода за ограничения вступают в работу с отключением режима управления. Решением проблемы автоматизации безопасного полета ЛА должен стать синтез заданных траекторий и алгоритмов управления с учетом ограничений на фазовые координаты движения ЛА, ограничений силовой установки и ограничений по конструкции ЛА.

Проблема безопасности полета в автоматизированных режимах зависит от обеспечения необходимого уровня надежности аппаратных средств ИВК СУ ЛА и программного обеспечения. Отказ ИВК может быть вызван отказом (неверным срабатыванием) каких-то ее компонентов – процессора, памяти, устройства ввода-вывода, линии связи или программного обеспечения. Техническая сложность и высокая стоимость ИВК СУ ЛА потребовали изучения влияния кратности резервирования аппаратуры (вычислительные модули, датчики и приводы) и разработки методик обеспечения надежности аппаратно-программных средств, связанных с достижением необходимого уровня тестирования с использованием как методов математического моделирования аппаратно-программных средств, так и встроенных символьных отладчиков и стендов полунатурного моделирования в составе бортовых цифровых машин (БЦВМ) и ИВК СУ ЛА в целом (рис. В.1).

Поэтому разработка научных основ создания отказоустойчивых интегрированных вычислительных комплексов систем управления летательными аппаратами является актуальной и своевременной.

Цель работы. Целью диссертационной работы является решение проблемы, имеющей важное хозяйственное значение – создание научно обоснованных, технически целесообразных и экономически выгодных отказоустойчивых интегрированных вычислительных комплексов систем управления летательными аппаратами.

Решение этой проблемы связанно с разработкой математических методов повышения надежности ИВК СУ ЛА, современной элементной базы вычислительных комплексов и их программного обеспечения.

Задачи исследований. Для реализации поставленной цели необходимо разработать:

  • математические модели и алгоритмы обеспечения надежности интегрированных вычислительных комплексов систем управления летательными аппаратами ИВК СУ ЛА;
  • методы оценки и прогнозирования способов повышения надежности ИВК СУ ЛА;
  • способы и техническую реализацию элементов и устройств ИВК СУ ЛА с повышенной надежностью;
  • методы и модели полунатурных испытаний ИВК СУ ЛА;
  • технологию стендовых и летно-конструкторских испытаний ИВК СУ ЛА;
  • методы оценки надежности программного обеспечения ИВК СУ ЛА;
  • технологию и критерии автоматического тестирования программного обеспечения систем управления летательных аппаратов на основе эталонной модели.

Методы исследования. В качестве методов исследования в работе используются положения теории систем, теории графов, теории надежности, теории принятия решений. Методы исследования основаны на статистической теории максимального правдоподобия, наименьших квадратов и байесовых оценок.

Методической основой выполненной работы являются: определение оптимальных цифровых законов управления по методу динамического программирования; составление математических моделей ошибок; формирование алгоритмов резервирования, контроля и оценивания с помощью оценок постоянных интенсивностей и восстановлений на основе построения графов состояний; применение инженерных аналитических и стендовых методов оценивания ошибок аппаратно-программного обеспечения; проведение процедур отладки с встроенным отладчиком M2SDEX и контролем программ тестированием.

Научная новизна работы.

1. Разработаны оптимальные законы управления на основе принципа динамического программирования Беллмана, основанные на квадратичном функционале качества в виде скалярного произведения относительных фазовых координат, позволяющие минимизировать ошибки по управлению с учетом различных типов ограничений. Полученные линейные рекурсивные процедуры представляют собой матрицы, обеспечивающие устойчивые режимы полета в широком диапазоне скоростей и высот полета при действии заданных уровней регулярных возмущений и помех.

2. Предложены структурные схемы оценки надежности ИВК систем управления самолетами с выбором оптимальных глубин резервирования аппаратуры, изготавливаемых из обычных по надежности и стоимости элементов, основанные на функции Колмогорова, связывающей стоимость и надежность. Данная методика позволяет сравнивать аппаратную и программную надежности комплексов, что дает возможность находить структурные схемы раздельного резервирования.

3. Созданы методики расчета и проектирования систем автоматического управления с учетом надежности его устройств при различных глубинах резервирования на основе аналитических процедур автоматизированного проектирования и моделирования на стендах с применением методов наименьших квадратов, максимума правдоподобия и критерия Байеса.

4. Предложен математический метод долгосрочного прогнозирования способов повышения надежности ИВК СУ ЛА в зависимости от стоимости, основанный на статистических решениях и максимизации дивергенции по признакам, назначаемым экспертами.. Дополнительно в качестве признаков использовались степень сложности устройств и оказываемое на них влияние внешних возмущений в виде перегрузок, жестких ударов при посадках, вибраций, температуры и давления.

5. На основе исследования математических моделей программного обеспечения предложена процедура применения методов программирования. Вводимые при этом линейные ограничения позволяют применять идеи Куна-Таккера и с помощью квадратичной целевой функции находить необходимые и достаточные условия оптимальности. Прогнозирование ошибок в программах определяется методом линейной регрессии. Приведенный алгоритм решения задачи прогнозирования ошибок основан на рекуррентной процедуре принципа дополнительности. За конечное число итераций с условием учета дополняющей нежесткости находится искомое неотрицательное решение.

Практическая значимость работы.

1. Обосновано применение ИВК СУ ЛА с магистральным принципом связи между устройствами, позволяющими соединять две машины с объединенным общим ресурсом и управлять взлетом, набором высоты, множеством других полетных режимов, снижением и посадкой, а также выполнять математическое и полунатурное моделирование на стендах.

2. Разработан экспериментальный технологический стенд с ИВК, позволяющий выполнять имитационные полеты, создавая условия, близкие к аварийным и находить способы их преодоления. В этом случае технологический стенд становится авиационным тренажером, на котором могут проходить обучение летчики для подготовки и пилотирования новых типов самолетов и вертолетов.

3. Сформированы алгоритмы для резервирования и контроля систем управления по мажоритарному принципу с помощью кворум-элементов, которые определяют неисправный канал и отключают его автоматически от управления при несовпадении сравниваемых сигналов. Предложенный комплекс с контурами безопасности обладает высокой разрешающей способностью и возможностью выполнения отладочных работ, не нарушая процесса нормального функционирования комплекса.

4. Предложена процедура повышения достоверности оценок надежности комплексных систем управления на основе теоремы Байеса с использованием данных об априорной информации, определяемой с помощью значений риска или данными по предшествующим комплексам-аналогам. В последнем случае удается сократить количество летно-конструкторских испытаний в 2-3 раза, что значительно сокращает стоимость, затрачиваемую на проведение полетов.

5. Практическая значимость результатов работы состоит в разработке ИВК систем управления САУ-10, САУ -515-57, САУ-140, СДУ-427, ЭДСУ-200, КСУ-35, КСУ-941, САУ-10М-03, КСУ-10М, КСУ-А и их модификаций, подготовки к запуску в серийное производство, а также создании способов построения и методов отладки программного обеспечения комплексных систем управления и доведения их на этапах стендовых и летно-конструкторских испытаний вплоть до серийного производства.

Достоверность результатов. Достоверность проведенных теоретических исследований обеспечивается строгим математическим обоснованием предлагаемых подходов и методов: системного анализа, теории графов; теории надежности, принятия решений, линейного и нелинейного программирования, а также сравнением с теоретическими данными, известными в научной литературе и полученными автором.

Реализация и внедрение результатов работы. Внедрение результатов определяется доведением исследований до конкретных аналитических зависимостей, алгоритмов и вычислительных процедур, а также проведением стендовых и летно-конструкторских испытаний, выполняемых в ОАО МНПК «Авионика» при создании систем для самолетов АН-140, МиГ-АТ, МиГ-29, МиГ-29К, МиГ-31, Су-27К, Су-27М, Су-30МК, Су-34, Су-35, для гидросамолета Бе-200, для вертолетов «АНСАТ» и Ми-8.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели и алгоритмы обеспечения надежности интегрированных вычислительных комплексов систем управления летательными аппаратами (ИВК СУ ЛА).

2. Синтез оптимальных законов управления летательными аппаратами на основе применения метода динамического программирования и его реализации в виде рекуррентных процедур. Численные процедуры выбора наилучших тактов по динамической точности при интегрировании линейных и нелинейных дифференциальных уравнений ЛА с правыми частями, описываемыми в форме уравнений третьего порядка с помощью z-преобразований и переходных процессов.

3. Способы реализации интегрированных комплексов систем управления летательными аппаратами повышенной надежности: способы и системы измерения угловых и линейных положений летательного аппарата; способы и системы автоматического управления высокоманевренными летательными аппаратами; система автоматического управления самолетом при заходе на посадку.

4. Методы оценки и прогнозирования способов повышения надежности ИВК СУ ЛА по следующим показателям: безотказность действия; влияние возмущений (перегрузок, вибраций, ударных нагрузок, температуры и давления), основанных на математическом аппарате максимума правдоподобия и принципа дивергенции с привлечением экспертных оценок.

5. Обоснование выбора глубины раздельного резервирования по устройствам ИВК систем управления с использованием функции Колмогорова, связывающей стоимость устройств управления с надежностью их действия, сложностью конструкций, влиянием возмущений и времени работы, а также с помощью специально введенной функции.

6. Применение методов автоматизированного моделирования при полунатурных испытаниях вычислительных комплексов систем управления летательными аппаратами, включающие выбор вычислительных процедур и тактов интегрирования дифференциальных уравнений полета ЛА.

7. Методы оценки надежности программного обеспечения интегрированных вычислительных комплексов систем управления летательными аппаратами.

Апробация работы. По основным результатам работы были сделаны научные доклады, которые обсуждались и получили одобрение на Всероссийских и Международных конференциях: VI Всероссийской научно-технической национальной ассоциации – Москва, 2001 г.; Научно-технической конференции – Санкт-Петербург, 2002 г.; III Научно-технической конференции по проблемам и развитию СУО – Курск, 2002 г.; Научно-технической конференции «Тренажерные технологии и имитаторы» – Санкт-Петербург, 2002 г.; Конференции ВВА им. Гагарина – Монино, 2002 г.; V Международном фестивале компьютерной технологии – Пекин, 2002г; II Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления» - Таганрог, 2007; Научно-практической конференции ОКБ «Авиаавтоматика» - Курск, 2007; III Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления» - Таганрог, 2008; VIII Форуме Российского вертолетного общества – Москва, 2008; III Московском международном форуме «Беспилотные многоцелевые комплексы» - Москва, 2009; IV Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления» - Таганрог, 2009.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 59 работ, в том числе 17 научных статей в ведущих рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК МИНОБРНАУКИ РФ для опубликования материалов докторских диссертаций, 13 патентов Российской Федерации на изобретения, 7 свидетельств на специальное программное обеспечение ИВК СУ ЛА, 12 статей в Российских журналах, 10 докладов на Международных и Всероссийских конференциях.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из наименований и приложения. Диссертация изложена на стр., приложение на стр., где представлен интегрированный отказоустойчивый вычислительный комплекс и акты внедрения результатов работы. Общий объем диссертации страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, сформулированы цели диссертационной работы и вытекающие из нее задачи исследований, показаны методы исследования, научная новизна работы и ее практическая значимость, реализация и внедрение результатов работы, основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзорно-аналитическим исследованиям отечественных и зарубежных источников литературы в области математического моделирования и алгоритмического обеспечения надежности интегрированных вычислительных комплексов (ИВК) систем управления летательными аппаратами, в частности, анализу методов оценки надежности с учетом избыточности и задаче оптимального резервирования.

Определены цели и задачи научных исследований.

Во второй главе разработаны методы оценки и прогнозирования способов повышения надежности интегрированных вычислительных комплексов систем управления летательными аппаратами, на основе применения аналоговых и цифровых вычислительных машин, различной крайности резервирования с использованием кворум-элементов и мажоритарной логики.

Методом динамического программирования определяются основные законы управления, основанные на использовании квадратичного функционала качества в виде скалярного произведения по отклонениям фазовых координат, позволяющих минимизировать ошибки, учитывая ограничения на управление при использовании функции Беллмана W. Функционал качества и все уравнения комплекса записываются в векторно-матричном виде:

где – матрица динамики самолета; – матрица весовых коэффициентов; – матрица по расходу топлива; – матрица переходных коэффициентов по фазовым выходным координатам; – матрица управления; – матрица по выходу.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.